□姜新
(中国农业科学院农田灌溉研究所,河南,新乡,453002)
新型声学多普勒流速仪及其应用
□姜新
(中国农业科学院农田灌溉研究所,河南,新乡,453002)
灌区渠道水流流速的监测需要先进的测流仪器。声学多普勒测速仪测流装置,它不破坏流场、响应速度快、测量精度高,由于其方便、快速和精确的流速测量特点,应用范围起来越广泛。文章对比了传统流速仪和声学多普勒水流仪的适用条件,介绍了声学多普勒水流仪的基本原理,为灌区水利用系数和灌区的量水工作提供了一种新的测流装置和方法。
声学多普勒测流;流速测量;方法;灌区
随着计算机技术的发展,水流测速装置也呈现出多样化、先进化和自动化的态势。除了常见的旋桨流速仪外,近年来国内外先进的、新型的测量装置也越来越多,如近年来出现的超声波流速仪、激光流速仪和粒子图像测速系统等。装置虽先进,但体积笨重而且价格不菲,需要熟练的操作人员等等,这些都使先进仪器的推广应用受到了限制。文中采用的超声波多普勒流速仪LSH10-1A、HXH03-1型,由厦门博意达科技有限公司生产,采用目前较先进的电子科学技术,流速测量是利用了声学“多普勒效应”原理,具有以下特点:该装置在测流工作时,由于没有转动或传动机构,做到了不破坏、不干扰河流或渠道中水流的流场,新一代的超声波多普勒流速仪有较高的灵敏度及较好的抗干扰能力,对河流或渠道中的水流形态,无论水流强弱都能精确地反映出水流的流速。同时,新一代的多普勒流速仪也较好地解决了前人应用中遇到的当水体中泥沙、漂浮物多时,测流的流速易出现超出误差允许范围值的问题,总之,新型超声波多普勒流速仪能准确和快速地测量河道水文和和现代化灌区渠道水流等重要参数,为灌区水利用系数和灌区的量水工作提供了一种新的测流装置和方法。
对于流速测量,根据所用仪器设备不同,可以分为流速仪法、浮标法、超声波法、电磁法、比降法等几种方法。其中声学多普勒测量流速的方法法是目前较为先进的方法,并且能较好地实现对河流或渠道中水流流速的实时连续测量,实现自动控制测量、自动采集测量数据。声学多普勒装置是一个包括由ADCP换能器、操作软件系统、计算机及连接设备等组成的系统,是一种利用声学换能器所发射的声脉冲在随水流运动的悬浮物质中所产生的多普勒频移进行应答,其特点是能够测量不同水层的三维流速和流向,即测出河流的流速剖面,具有测验历时短、精度高、资料完整丰富的特点,特别适合于流态复杂条件下的测验,具有极高的测验效率,大大提高了水文测验工作的技术含量和现代化水平。
声学多普勒效应原理较好地应用在LSH10-1型流速测量装置中,河流或渠道水体中的不均匀体,当随着水体流动时,会对流速测量装置中发射到水中的超声波产生不规则的散射现象,装置的接收换能器会收到部分的散射声波,当水体流动时,相对的运动就存在于发射器、散射体和接收器之间,依据多普勒理论,即会产生多普勒频移。根据多普勒频移方程,频移的大小:
式中:△Fd-多普勒频移;F0-发射超声波频率;C-水中声速;θ-发射波、接收波的夹角。
通常情况下,由于V·cosθ值远远小于C值,可忽略不计,简化(1)式为:
对于式(3)K值为常数,因为装置的超声波发射频率是不变的,为定值,而装置安装后,其换能器夹角同样不变,为定值。因此从式(3)可得出:水体的流动速度仅和△Fd和C相关联,且它们之间的关系成正比。
传统的旋桨式流速仪存在启动流速高且不稳定,体积大、笨重、不便使用和携带,测流时会破坏水流的自然流态,当渠道中存在水草漂浮物时,会缠绕住转动轴,对所测流速产生严重的影响。由于水流驱动的惯性影响,测定瞬时流速比较困难,一般只能用于常用平均流速测量;二者相比较,声学多普勒原理测量流速等水文参数精度高,与传统的测流方法相比,多普勒测流具有测量精确度好、分辨率高等优点,适用于渠道、河流流速的精确测量,当测量河道或渠道的水流流速时,它仅仅关系到水体的运动速度,水中漂浮物基本对装置的测流效果不会产生影响。超声波多普勒流速仪具有如下特点:新一代的超声波多普勒流速仪有较高的灵敏度及较好的抗干扰能力,对河流或渠道中的水流形态,无论水流强弱都能精确地反映出水流的流速;感应灵敏,分辨率高,不受启动流速限制;装置测量水流相应参数时反应迅速,不但可以精确地测量平均流速,也可以对水流瞬时流速进行准确测定;测量线性,流速检定曲线不易变化;由于多普勒测速装置不存在机械转动问题,所以,也较好地解决了传统转子流速仪由于水体中泥沙堵塞,水草、杂物缠绕等问题。
多普勒流速仪由于它的特点正逐步广泛应用于水文测流中,例如,走航式多普勒流速仪测验一个测回的时间大约需要15~20 min,3个测验人员即可完成;而传统流速仪测流时需花费几小时,且需要操作人员多。
多普勒流速仪可采用无线遥控方式施测,控制和记录实测数据的技术人员可以在室内完成,不必受天气等其它因素的影响,同时可以获得整个测验过程的所有数据。
可按需要安装在被测河流或渠道侧面,底部或顶部,准确测量单点或多点水流流速,安装方便,各种农业灌溉渠道,不规则河道,可以长期稳定可靠运行,多普勒流速仪可内置各种传感器,准确测量流速、流向、水位和水温,满足各种测量需要,新型多普勒流速仪功耗低,内置可充电锂电池,是目前最轻便、用途广的多普勒流速仪。
声学多普勒流速仪测流历时短、效率和精度高。目前在国内外已得到了广泛应用,在我国已有不少成功应用的实例,比如功果桥电站水库下闸蓄水、长江三峡大江截流等,其测验的高效性和先进性受到人们的青睐。
仪器设备检修应包括探头检査、防腐蚀部件检査、电缆(信号)线检査,当探头表面有附着物时,用光滑的软布蘸清水小心拭去;有明显的裂痕或较深的划痕时,应检验是否影响测验精度;电缆(信号)线破损、漏电时,应维修或更换。
每次测速结束后,要马上用清水冲洗多普勒测流装置的水下探头,冲洗后及时擦干,避免腐蚀性的物质接触到探头表面。
在降水天气使用时,应对装置的主机部分加强防水保护,避免因雨水进入主机造成主机内部电路短路或损坏。
多普勒测流速度快、劳动强度低、数据稳定可靠、精度高,适应于在自然环境复杂、流量大、宽断面的河流进行测流作业,多普勒流速仪可以实现实时监测,测量精度也满足要求。
多普勒剖面流速仪测验效率较高,还可以通过计算机的远程显示与监测实现对流量的在线实时监测,快速、准确地测量出河流、水库、湖泊等水体的水文特征值,在水资源的合理开发利用和水环境的保护等方面起到了重要作用。
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1673-8853(2017)07-0095-02
2017-05-15
编辑:左英勇
中国农业科学院创新团队“农田排水技术与产品”
姜新(1969-),女,汉族,主要从事农田排水技术研究工作。